Усовершенствование микропроцессорного управления вентильным тяговым приводом электровозов переменного тока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат технических наук Волконовский, Сергей Васильевич

• Волконовский, Сергей Васильевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Волконовский, Сергей Васильевич

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОВЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ МАГИСТРАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ

1.1. Анализ отечественного и зарубежного опыта в области создания микропроцессорных систем управления тяговым подвижным составом.

1.2. Влияние особенностей построения силовых цепей электровозов с бесколлекторными тяговыми двигателями на структуру систем управления.

1.3. Постановка задачи исследования.

2. СТРУКТУРА И АЛГОРИТМЫ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ С БЕСКОЛЛЕКТОРНЫМИ ТЯГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

2.1. Структура микропроцессорной системы управления для электровозов с бесколлекторными тяговыми двигателями.

2.2. Анализ особенностей построения алгоритмов управления асинхронным тяговым электроприводом.

2.3. Влияние особенностей специфики построения силовых цепей на алгоритмы управления вентильным тяговым приводом.

3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ЭФФЕКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННЫМ ТЯГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ПО МГНОВЕННЫМ ЗНАЧЕНИЯМ ЛИНЕЙНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

3.1. Задачи эффективного управления вентильным тяговым электроприводом.

3.2. Принцип определения фазовой координаты по мгновенным значениям линейных напряжений синхронного двигателя. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАБОТЫ УПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ НА ПРОЦЕСС УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫМ ТЯГОВЫМ ПРИВОДОМ

Исследование влияния работы управляемого выпрямителя на изменение синусоидальности форм линейных напряжений синхронного двигателя.

Разработка алгоритма компенсации погрешности управления машинной коммутацией на основе динамической модели силовой цепи тягового электропривода. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Усовершенствование микропроцессорного управления вентильным тяговым приводом электровозов переменного тока»

Ведущее место в транспортной системе России принадлежит железным дорогам. В общем объеме перевозок на долю железнодорожных перевозок приходится более 75 % грузооборота и 40 % пассажирооборота. Это связано с рядом их преимуществ перед другими видами транспорта: широкая разветвленность сети железных дорог, довольно высокий уровень регулярности движения поездов, обеспечение относительно высокого уровня безопасности, комфортность перевозок. Низкий процент пассажирооборота обуславливается рядом причин, в котором на одном из первых мест стоят низкая скорость перевозок и высокая стоимость услуг. В директивных планах правительства предусматривается интенсивное увеличение пропускной и провозной способности железных дорог, в частности на основе насыщения их современными высокопроизводительными локомотивами, применение которых обеспечивает одновременно снижение затрат на обслуживание и ремонт, увеличение скорости движения и надежности в работе. Разработана и утверждена программа "Разработка и производство пассажирского подвижного состава нового поколения на предприятиях России (1996-2005 г.г.)". В рамках программы Коломенским и Новочеркасским заводами создан восьмиосный электровоз ЭП200, предназначенный для вождения скоростных пассажирских поездов со скоростью до 200 км/ч на линиях железных дорог, электрифицированных на однофазном переменном токе частоты 50 Гц с номинальным напряжением в контактной сети 25 кВ. На электровозе применен тяговый электропривод с синхронными (вентильными) двигателями, двухзонной системой регулирования выпрямленного напряжения и компенсатором реактивной мощности. На его базе планируется создание электровоза ЭП201 с микропроцессорной системой контроля и управления.

На базе электровоза ВЛ65 Новочеркасским электровозостроительным заводом создан пассажирский электровоз ЭП1 переменного тока с коллекторными тяговыми двигателями и микропроцессорной системой управления, диагностики и безопасности движения с эксплуатационной скоростью 140.160 км/ч. В настоящее время электровозы этой серии эксплуатируются в локомотивных депо Красноярск Красноярской ж. д., Хабаровск-2 Дальневосточной ж. д., Кандалакша Октябрьской ж. д., Саратов Саратовской ж. д. и успешно служат заменой физически устаревшим пассажирским электровозам ВЛбОпк и ЧС4.

В 1998 г. ОАО НПО «НЭВЗ» и ОАО «ВЭлНИИ» совместно со Швейцарской фирмой Аскгапг разработан новый электровоз ЭП10 с асинхронными тяговыми двигателями, рассчитанный на работу от тока двух родов, и конструкционной скоростью 140. 160 км/ч. Электровоз оснащен новой микропроцессорной системой управления и связи М1Т11АС, которая представляет собой децентрализованную, модульную систему управления транспортных средств, работающую в реальном масштабе времени.

Применение микропроцессорных систем диагностики, контроля и управления является эффективным для достижения высокого уровня надежности в работе локомотивов.

Привлекательность цифровых средств для использования в электровозных системах управления определяется следующими их основными достоинствами: высокая стабильность рабочих характеристик, обусловленная тем, что активные элементы работают только в ключевых режимах; при правильном выборе рабочих режимов значительные отклонения от номиналов и характеристик элементов не нарушают работу устройств в целом; высокая разрешающая способность и точность регулирования, определяемая числом используемых разрядов; возможность программной реализации алгоритмов управления на базе микропроцессорных средств открывает перспективы, как в смысле унификации аппаратуры, так и в повышении общего уровня автоматизации на железных дорогах путем значительного расширения функций системы управления и реализации более сложных и совершенных алгоритмов управления движением поездов.

Таким образом, применение цифровых средств управления позволяет перейти к более совершенной их организации и сделать существенный шаг к наиболее полной автоматизации управления, т. е. к созданию электровозов, отвечающих самым современным требованиям в смысле реализуемых алгоритмов и надежности. Цифровые способы позволяют осуществить, по крайней мере, 2 способа реализации алгоритмов: аппаратный и программный.

При аппаратном способе каждая операция функционального преобразования информации, например, сложение сигналов, инвертирование, нелинейное преобразование и т. д. осуществляется отдельным устройством. В этом смысле такие цифровые схемы ни чем не отличаются от аналоговых, но в силу достоинств, присущих цифровым элементам, обеспечивают более высокую надежность. Особенностью является то, что цифровые средства обрабатывают сигналы, квантованные по уровню и во времени, а аналоговые - непрерывные. Разрешающая способность цифровых средств определяется числом используемых разрядов для предоставления информации и теоретически может быть сколь угодно высокой.

Но, начиная с некоторого уровня сложности реализуемых алгоритмов, резко растет объем электронного оборудования и усложняется топология связей между различными функциональными устройствами. Это приводит к увеличению стоимости аппаратуры управления. Кроме того, такие системы управления имеют «жесткую» программу работы, что не позволяет им адаптироваться к изменяющимся условиям работы.

Разработка микропроцессорных серий открыла возможность широко использовать для электровозных систем управления программные принципы обработки информации. При этом аппаратура управления практически инвариантна к реализуемым алгоритмам, а их набор и уровень сложности определяются объемом памяти и программами управления, и может меняться и совершенствоваться.

Интерес к использованию микропроцессорных средств проявляется не только в системах управления ЭПС, но и во всей технике управления. Применение микропроцессорной техники открывает большие перспективы по совершенствованию систем управления, начиная от функциональных свойств, определяемых в значительной мере программным обеспечением, и заканчивая массогабаритными показателями. Совершенствование функций управления ЭПС, стало возможным только благодаря гибкой структуре программного обеспечения микропроцессорных систем управления.

Эти обстоятельства позволяют говорить о необходимости разработки концепции микропроцессорных систем и алгоритмов для ЭПС применительно к типу главного (тягового) электропривода, роду тока и назначению ЭПС. При этом архитектура микропроцессорной системы управления (МПСУ) должна быть универсальной, а конкретная техническая реализация должна определяться типом ЭПС.

Заключение диссертации по теме «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация», Волконовский, Сергей Васильевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе анализа систем управления магистральных электровозов предложены рациональная структура и функции микропроцессорной системы управления перспективных электровозов с бесколлекторным тяговым приводом, которые использованы при разработке технических требований к микропроцессорной системе управления вентильным тяговым приводом пассажирских восьмиосных электровозов переменного тока ЭП200.

2. Для решения ключевой задачи эффективного управления вентильным тяговым приводом, состоящей в определении фазы несинусоидального линейного напряжения обмотки якоря с высокой точностью, рекомендован принцип определения фазовой координаты по мгновенным значениям линейных напряжений двигателя.

3. Для определения текущей фазовой координаты линейного напряжения на межкоммутационном интервале рекомендовано учитывать фазировку тока двигателя.

4. Влияние работы управляемого выпрямителя на процесс определения текущей фазовой координаты линейного напряжения требует учета насыщения электромагнитных компонентов силовой цепи при разработке алгоритмов управления вентильным тяговым приводом.

5. Для повышения точности определения фазовой координаты линейного напряжения разработан алгоритм компенсации пульсаций переменной составляющей выпрямленного напряжения в составе линейных напряжений двигателя, который позволяет увеличить величину вращающего момента на валу вентильного тягового двигателя на 6 %.

6. Разработаны алгоритмы микропроцессорного управления вентильным тяговым приводом, которые целесообразно использовать при создании перспективных электровозов. Разработанные алгоритмы использованы в макетном образце микропроцессорной системы управления вентильным тяговым приводом пассажирских электровозов ЭП200.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Волконовский, Сергей Васильевич, 2003 год

1. Техменев Б.Н., Кучумов В.А. Электровозы переменного тока с тиристорными преобразрвателями. М.: Транспорт, 1988. 312 с.

2. Европейские электровозы нового поколения.// Железные дороги мира. 1997. №10. с.9-40.

3. Мюллер К.-Д., Покровский С. В., Ш. Гай, Штер М. ЭП-10 электровоз нового поколения для Российских железных дорог. // Железные дороги мира. 2003. №3. с. 22-29.

4. Многосистемный электровоз серии ALP 46. // Железные дороги мира. 2003. №3. с. 29-36.

5. Разработка конкурентоспособного электровоза для паасажирских и грузовых перевозок. //Железные дороги мира. 2002. №11. с. 20-24.

6. Магистральный грузовой электровоз для железных дорог Китая. // Железные дороги мира. 2002. №7. с. 36-46.

7. Бочаров В. И., Вольвич А. Г., Малютин В. А., Щербаков В. Г. Основы тягового привода. Часть И./ Ростов-на-Дону: РТУ- 1997,-494 с.

8. Вольвич А. Г., Напрасник М. В., Беляев А. В. Базовый набор микропроцессорных средств для использования в системах управления магистральных электровозов. / Новочеркасск. : Электровозостроение. Сборник научных трудов Т.25, 1984. 45-58 с.

9. Ю.Беляев A.B. Общий алгоритм работы микропроцессорной системы управления выпрямительно-инверторным преобразователем электровоза. / Новочеркасск: Электровозостроение. Сборник научных трудов Т.26., 1985. 44-53 с.

10. П.Беляев A.B., Федорова Н.Ю. Тенденция построения электрической части современного ЭПС. / Новочеркасск: Электровозостроение. Сборник научных трудов Т.41., 2001. 134-148 с.

11. Вольвич А.Г., Плис В.И., Хоменко Б.И. Системы управления электроподвижным составом на современной элементной базе. / Новочеркасск: Электровозостроение. Сборник научных трудов Т.41., 2001.- 148-154 с.

12. Вольвич А. Г., Напрасник М. В., Крамсков С. А. Опыт применения микропроцессорного управления на электровозе BJI 85. / Новочеркасск: Электровозостроение. Сборник научных трудов Т.ЗО, 1989. 148-154 с.

13. М.Скрипка В.Г. Структура программного обеспечения микропроцессорной системы управления электровоза BJ185 при работе по системе многих единиц (СМЕ). / Новочеркасск: Электровозостроение. Сборник научных трудов Т.31., 1990. 103-112 с.

14. Крамсков С. А., Плис В. И., Федорова Н. Ю. Результаты испытаний микропроцессорной системы управления на электровозе BJI 85-061. / Новочеркасск: Электровозостроение. Сборник научных трудов Т.32., 1991. 108-115 с.

15. Крамсков С. А., Плис В. И. Обработка аналоговых сигналов микропроцессорным контроллером электровоза. / Новочеркасск. Электровозостроение: Т.32. 1991. 116-122 с.

16. Тушканов Б. А., Кодинцев И. Ф., юдин А. Т. Электровоз BJI 65. / Новочеркасск. Электровозостроение: Т.32. 1991. 15-27 с.

17. Магистральный электровоз ЭП1. Микропроцессорная система управления. //Локомотив. 1999. №8. с. 17-19.

18. Система УСТА для тепловоза ТЭП70: первые итоги эксплуатации. // Локомотив. 2001. №10. с. 25-29.

19. Пульт управления машиниста для унифицированной кабины. // Локомотив. 2002. №6. с. 30-32.

20. Знакомьтесь: тепловоз ТЭМ21. // Локомотив. 2002. №6. с. 35-38.

21. Вольвич А. Г., Напрасник М. В., Ефремов A.A., Беляев A.B. Микропроцессорная система управления тяговым приводом перспективного электровоза переменного тока. / Новочеркасск: Электровозостроение, сборник научных трудов Т.31., 1990. 62-64 с.

22. Бахвалов Ю.А., Зарифьян A.A., Колпахчьян П.Г. Янов В.П. и др. Бесколлекторный тяговый привод за рубежом и в россии. / В кн. Моделирование электромеханической системы электровоза с асинхронным тяговым приводом. М.: Транспорт. 2001. с. 10-21.

23. Сорин Л.Н., Вольвич А.Г., Плис В.И. Микропроцессорные системы управления коллекторных и бесколлекторных электровозов. / Новочеркасск: Электровозостроение, сборник научных трудов Т.42., 2002.- 156-175 с.

24. Электровоз ВЛ80С. Руководство по эксплуатации. М.: Транспорт. 1982. 622 с.

25. Электровоз ВЛ85. Руководство по эксплуатации. М.: Транспорт. 1992. 480 с.

26. Кучумов В.А., Покровский C.B., Куксов С.С. и др. Результаты приемочных тягово-энергетических испытаний электровоза ЭП200-001. / В кн. Электрическая тяга на рубеже веков. М.: Интекст. 2000. с. 95-105.

27. Напрасник M.B. Формализация процедуры выбора архитектуры микропроцессорной системы управления. / Новочеркасск: Электровозостроение, сборник научных трудов Т.29., 1988. 28-31 с.

28. Европейские электровозы нового поколения.// Железные дороги мира. 1997. №10. С.9-40.

29. Скарпетовский Г. Витинс Я. Концепция тяговых преобразователей и систем управления для электровозов с асинхронными двигателями // Вестник ВНИИЖТ. 1996. № 2. С.5-11.

30. Ruprecht Gabriel. Microelectronics, the driving force in the development of electrical drives// EPE Journal. 1993. Vol. 3., №1.34.про вл86ф

31. Ruprecht Gabriel. Microelectronics, the Driving Force in the Development of Electrcal Drives// EPE Jornal. 1993. Vol. 3., №1.

32. Сандлер A.C., Гусяцкий Ю.М. Тиристоные инверторы с широтно-импульсной модуляцией. М.: Энергия, 196. 182с.

33. Direct self-control (DSC), a novel method of controlling asynchronous machienes in traction applications. M. Janecke, R. Kremer and G. Steuerwald. //Elektrische Bahnen 88(1990) №3.

34. Direkte Selbstregelung (DSR) fur hochdynamische Drehfeldantriebe mit Stromrichterspeisung. M Depenbrock.// etz Archiv №7. S.211-218.

35. Grundlagen fur die Entwicklung eines Steuervervahrens fur GTO-Dreipunktwechselrichter fur Traktionsantriebe. Jürgen Steinke // etz Archiv. 1988. №7.

36. Вентильные двигатели и их применение на электроподвижном составе. Под ред. Б. Н. Тихменева, М.: Транспорт. 1976. 280 с.

37. Постников И.М. Обобщенная теория и переходные процессы электрических машин. М.: Высшая школа. 1975. 319 с.

38. Аракелян А.К., Афанасьев A.A. Бесколлекторный электропривод на основе синхронной машины и зависимого инвертора. Чебоксары, изд. Чувашского гос. Университета. 1971. 243 с.

39. Горин H.H., Кучумов В.А., Некрасов O.A., Сенаторов В.А. Повышение силы тяги электровозов с вентильными тяговыми двигателями. Тр. ВНИИЖТ. 1977. Вып. 576. с. 65-75.

40. Кучумов В.А., Новиков В.Е. Работа тягового вентильного двигателя при пульсирующем токе. В сб. Перспективный подвижной состав. М.: Транспорт. 1970. с. 3-16.

41. Коркордия Ч. Синхронные машины. Переходные и установочные процессы. М.: Госэнергоиздат. 1959. 272 с.

42. Кондрашов В.Д. Математическая модель и устойчивость вентильного тягового двигателя при рекуперативном торможении. / В. кн. Электрическое торможение электроподвижного состава. Сб. научных трудов. М.: Транспорт. 1984. с. 31-39.

43. Казовский Е.Я. Переходные процессы в электрических машинах переменного тока. М.: изд. АН СССР. 1962. 624 с.

44. Половко А.М Основы теории надежности. М.: Наука. 1964. 448 с.

45. Козлов Б., Ушаков И. Справочник по расчету надежности. М.: Советское радио, 1966. -432 с.

46. А.Г.Бреев, Г.Н.Цвиркунова, В.И.Шеремет, В.В.Ширяев, И.К.Юренко. Оценка и анализ надежности электронной аппаратуры управления (ЭАУ) электровозов. / Новочеркасск: Электровозостроение, сборник научных трудов Т.36., 1996. 234-240 с.

47. Кравченко А.И., Манаенко В.В., Юренко И.К. Анализ надежности и качества электровозного оборудования с помощью диаграмм Парето. / Новочеркасск: Электровозостроение, сборник научных трудов Т.ЗЗ., 1993.-47-55 с.

48. Борисенко А.Д., Турулев В.М., Юренко И.К. Исследование надежности электронной аппаратуры управления элеткровозов. / Новочеркасск: Электровозостроение, сборник научных трудов Т.28., 1987. 60-66 с.

49. Напрасник М.В. Устойчивость тягового электропривода с микропроцессорным регулятором тока. / Новочеркасск: Электровозостроение, сборник научных трудов Т.26., 1985. 31-38 с.

50. Юренко И.К. Оценка эксплуатационной надежности электронной аппаратуры управления электровозов. / Новочеркасск: Электровозостроение, сборник научных трудов Т.23., 1983. 60-64 с.

51. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам на языке бейсик для персональных ЭВМ. -М.: Наука, 1987.-240 с.5 8.Мудров А.Е. Численные методы для ПЭВМ на языках бейсик, фортран, паскаль. -Томск: МП «РАСКО», 1991. -272 с.

52. Каханер Д., Моулер К., Нэш С. Численные методы и программное обеспечение. -М.: Мир, 1998. -575 с.

53. Воронин С.Г. Управление коммутацией вентильного двигателя по сигналам ЭДС вращения. // Электричество. 2000. №9. с. 53-59.

54. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. -М.: Мир, 1989.- 540 с.

55. Катковник В.П. Непараметрическая идентификация и сглаживание данных. -М.: Главная редакция физико-математической литературы, 1985.-336 с.

56. Roy S. Cloby, Thomas A. Lipo A state Analysis of LCI Fed Synchronous Motor Drives in the steady State. // IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS. VOL. IA-21. NO. 4, JULI/AUGUST 1985.